Электронный спектр и фазовые переходы в электронном и дырочном арсениде индия при высоком гидростатическом давлении до 9 ГПа

2
ВВЕДЕНИЕ..........................................................4
ГАВА I. ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АРСЕН ИДЕ ИНДИЯ
(обзор литературных данных)...............................12
1.1. Кристаллическая структура полупроводниковых
соединений АШВ ..............................................12
1.2. Зонная структура 1пАб под давлением.........................14
1.3. Влияние давления и температуры на теплопроводность твердых тел 18
1.4. Влияние давления на структуру полиморфного превращения в твердом теле.........................................................25
1.5. Постановка задачи...........................................33
ГЛАВА И. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.........................34
2.1. Обзор методов создания гидростатического давления...........34
2.2. Аппарат высокого давления типа «тороид».....................39
2.3. Создание гидростатического давления до 9 ГПа с помощью аппарата «тороид».....................................................44
2.4. Экспериментальная установка и методика измерения теплопроводности под давлением................................................56
2.5. Экспериментальная установка и методика измерения удельного электросопротивления, коэффициента Холла и магнитосопротивления при высоком гидростатическом давлении до 9 ГПа...............60
2.6. Образцы п-1пАб, р-1пАб и р-1пАБ<Мп> для исследований под давлением....................................................67
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ДО 9 ГПа НА ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТР И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ЭЛЕКТРОННОМ АРСЕНИДЕ ИНДИЯ.......................................68
3.1. Влияние высокого гидростатического давления на электронный
спектр пЛпАб.................................................68
3
3.2 Влияние гидростатического давления на теплопроводность и электропроводность п-1пАб 76
3.3. Влияние высокого гидростатического давления до 9 I На на фазовые
переходы в п-1пЛз............................................87
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ДО 9 ГПа НА ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТР И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ДЫРОЧНОМ АРСЕНИДЕ ИНДИЯ..........................................97
4.1. Влияние гидростатического давления на эффект Холла и удельное
сопротивление в р-1пАБ и р-1пА5<Мп>..........................97
4.2. Влияние гидростатического давления на магнитосопротивление в р-1пАх и р-1пА$<Мп>................................................110
4.3. Фазовые переходы в дырочном арсениде индия при высоком гидростатическом давлении до 9 ГПа..........................117
ВЫВОДЫ..........................................................126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................128
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Полупроводниковые соединения типа АП|В\ к которым относится арсенид индия, представляют собой обширный класс веществ, свойства которых вызывают большой интерес и в настоящее время активно изучаются многими исследователями. Интерес в значительной степени обусловлен широким практическим применением этих материалов в технике (датчики давления, датчики Холла, детекторы инфракрасного излучения и др.). Все практические применения соединений АШВЧ основаны на их электронных свойствах, поэтому исследования, направленные на изучение электронного энергетического спектра этих соединений и способов воздействия на него, весьма актуальны. Основные особенности электронного спектра соединений АШВЧ- в настоящее время хорошо изучены. Однако недостаточно ясным остается вопрос о существовании в электронном спектре арсенида индия квазилокальных уровней дефектов, которые при определенных условиях могут повлиять на электрические свойства. Существуют определенные противоречия между экспериментальными данными и теорией. В связи с чем, необходимы новые экспериментальные данные, которые можно получить путем воздействия на электронный спектр, например, с помощью высокого давления.
Одной из актуальных задач в физике конденсированного состояния является изучение структурных фазовых переходов первого рода. Оказывается, что эту задачу нельзя рассматривать изолированно от проблем, связанных со строением электронного энергетического спектра, так как из-за сильного элекгрон-фононного взаимодействия электронная система оказывает заметное влияние на устойчивость кристаллической решетки. Воздействие давления (спектроскопия давлением) дает возможность расшифровать зонную структуру твердых тел, получать новую информацию о фазовых переходах, устанавливать области устойчивости фаз, получать метастабильные фазы и выяснить роль структурных дефектов. Изучение фазовых переходов под дав-
5
лением в арсениде индия может помочь выявить общие закономерности полиморфизма соединений А,!,В\
11аконец, изучение электронного спектра и фазовых переходов в твердых телах в гидростатических условиях позволит получать надежные и воспроизводимые данные, так как неконтролируемые сдвиговые напряжения, возникающие в образце из-за того, что он окружен твердой средой передающей давление, могут значительно повлиять на электронный спектр и параметры фазового превращения.
Цель работы. Экспериментальное исследование влияния гидростатического давления до 9 ГПа на электронный энергетический спектр и фазовые переходы в электронном и дырочном арсениде индия.
В рамках этой цели решались следующие задачи:
1. Создание гидростатического давления Р~9 ГПа в полезном объеме 8Омм ' с помощью камер высокого давления типа «тороид»;
2. Разработка методики измерения удельного сопротивления, коэффициента Холла и магнитосопротивления в монокристаллических образцах пНпАб, р-1пАз и р-1пАз<Мп> при гидростатическом давлении до 9 ГПа, в области комнатных температур;
3. Получение новых экспериментальных данных влияния гидростатического давления до 9 IНа, при комнатной температуре на электронный энергетический спектр в монокристаллических полупроводниках н-1пА$,р-1пА^ч и р-1пА$<Мп>;
4. Получение новых экспериментальных данных влияния гидростатического давления до 9 ГПа, при комнатной температуре на удельное сопротивление, магнитосолротивлеиис и коэффициент Холла в области фазового превращения в монокристаллических полупроводниках п-1пАх, р-1пА$ и р-1пА$<Мп>\
6
5. Получение новых экспериментальных данных влияния гидростатического давления до 400 МПа, в диапазоне температур
273-423 К на теплопроводность n-InAs.
Научная новизна состоит в том, что впервые:
• проведено систематическое изучение влияния высокого гидростатического давления до 9 ГПа на электронный энергетический спектр моно-кристаллических образцов: n-InAs с п=1.8' 10,6+2.4-10* см'3
p-InAs сp=(5.6+8)‘J0,s см'3; иp-InAs<Mn> с р=(6.6+10.7)-10/6 см3;
• при гидростатическом давлении до 400 МПа, в интервале температур 273 -г 423 К исследована теплопроводность n-InAs с п-2.5‘1016 см3;
• методом измерения коэффициента Холла и удельного сопротивления под гидростатическим давлением до 9 ГПа, при подъеме и сбросе давления в n-InAs с п=1.810,б+2.4' 10,7см'3, p-lnAs с р=(5.б+8)’ 1015 см3 и p-InAs<Mn> с р=(6.6+10.7)1016 см'3 исследованы фазовые переходы п ол у 11 рово д н и к-м е гал л;
• на основе экспериментальных данных и теории гетерофазной структуры эффективной среды в области фазового превращения в n-InAs с п-1.8- 1016+2.410!7см3, p-InAs с р=(5.6+8)-10'5 см3 и p-lnAs<Mn> с р=(6.6-т10.7)-1016 см3 определены некоторые характеристические точки фазового перехода;
• на основе экспериментальных данных и теории гетерофазной структуры эффективной среды исследована динамика изменения фазового состава от давления в n-InAs с n=].8-10!6+2.4- 10‘'см'3, p-InAs с р=(5.6Щ‘Ю15 см3 иp-InAs<Mn> ср=(6.6+10.7)-10!6 см'3.
В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе,
Обнаружены:
• индуцированное всесторонним давлением при комнатной температуре отрицательное магнитосопротивлеиис в p-InAs и p-InAs<Mn>;
7
• увеличение теплопроводности в п-1пА$ под давлением;
• фазовый переход металл-полупроводник в п-1пАя, р-1пА$ и р-1пАя<Мп> при Р=(4.3±0.2)ГПа с уменьшением давления при комнатной температуре
Достоверность и обоснованность основных научных выводов обеспечена тщательно отработанной методикой исследований, расчетами теоретических моделей, привлекаемых для объяснения экспериментальных данных, сравнительным анализом результатов исследования с данными других авторов и подробным анализом погрешностей измерений кинетических коэффициентов.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации данные влияния давления на электрические свойства и электронный спектр арсенида индия могут быть полезны для целенаправленного изменения свойств этого материала путем воздействия высоких давлений. Усовершенствованное устройство для исследования кинетических свойств твердых тел при высоком гидростатическом давлении, а также экспериментальные методы создания гидростатического давления до 9 ГПа и измерения удельного сопротивления, коэффициента Холла и магнитосопротивления в этих условиях могут применяться для решения ряда фундаментальных и прикладных задач. В частности, метод точного измерения давления при комнатной температуре может применяться для контроля и управления давлением в технологических процессах получения новых материалов при высоких давлениях.
Основные положенш!, выносимые на защиту'.
1. Анализ особенностей поведения удельного сопротивления и коэффициента Холла в электронном и дырочном арсениде индия под давлением подтверждает существование локального уровня дефекта в зоне проводимости.
2. Обнаружено и исследовано отрицательное магнитосопротивление в дырочном арсениде индия при всестороннем сжатии и комнатной температуре, обусловленное слабой локализацией носителей в слабых магнитных полях.
3. Исследованы фазовые переходы в электронном и дырочном арсениде индия под давлением при комнатной температу ре. По полученным экспериментальным данным, с использованием теории гетерофазной структуры эффективной среды, определены некоторые характеристические точки фазового превращения: Рну - начало фазового перехода; Рк - конец фазового перехода; ?0 - давление фазового равновесия; Р0л< -давление метастабильного равновесия; РГФ - г истерезис фяуктуацион-ный в прямом направлении (увеличения давления) и обратном направлении (уменьшения давления). Установлено, что точка фазового перехода не зависит от типа носителей и концентрации примеси.
Вклад автора заключается в его основном участии на всех этапах экспериментального исследования, анализе и математической обработке полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: XXX Международной конференции Европейской группы по физике высоких давлении (Баку, 1992); XXXIII Международной конференции Европейской группы по физике высоких давлений (Варшава, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Состояния и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» (Махачкала, 1995); III Международном семинаре «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах» (Махачкала, 1998); Международной научной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНИ РАН (Махачкала, 1999); Международной конференции Европейской группы по физике высоких давлений (Франция, Монпелье, 1999); Российской конференции «Фазовые превращения при высоких давлениях» (Черноголовка, 2000); Международной конфе-
9
ренции Европейской группы по физике высоких давлений (Германия, 2000).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, списка цитированной литературы из 151 наименования. Содержание работы изложено на 142 страницах, содержит 43 рисунка и 11 таблиц.
В первой главе рассматриваются известные экспериментальные и теоретические работы, касающиеся кристаллической структуры арсенида индия, строения их электронного энергетического спектра, кинетических явлений и фазовых переходов, происходящих при изменении температуры и давления.
Вторая глава посвящена методике создания и измерения высокого гидростатического давления до 9 ГПа с помощью аппарата типа «тороид», методы измерения удельного сопротивления, коэффициента Холла и магнитосо-противления. Приведен обзор известных методов создания гидростатического давления Р>3 ГПа с помощью аппаратов типа поршень-цилиндр, «белт» и многоиуансонных аппаратов. Рассмотрен принцип действия аппарата высокого давления типа «тороид» и его преимущества перед аппаратами других типов. Для исследования теплопроводности арсенида индия в условиях гидростатического давления до 400 МПа и температур 273+423 К рассмотрен прибор, где применен один из вариантов плоского стационарного компенсационного метода. Сделаны оценки точности измерения давления и кинетических коэффициентов.
В третьей главе приведены результаты измерения влияния гидростатического давления до 9 ГПа на теплопроводность, электронный энергетический спектр и фазовые переходы в п-ЫАя.
В четвертой главе приведены результаты измерения влияния гидростатического давления на электронный спектр и фазовые переходы в р-1пЛз и р-1пА$<Мп>.
10
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах:
1. Mollaev Л. Yu., Arslanov R. К., Daunov М. I., Kamilov I. К., Magomedov A.
B., Salikhov S. М., Saypulaeva L. A. Investigation of phase transition of monocrystalline In As at hydrostatic pressure by resistometrical method // ФТВД. - 1993. - T. 3, №2. - C. 65-68.
2. Моллаев А. Ю., Арсланов Р. К., Ахмедов P. И., Сайпулаева JI. А. О методологии и методике исследования обратимого барического полиморфизма // ФТВД, - 1994. - Т. 4, № 3-4. - С. 66-70.
3. Daunov М. 1., Mollaev A. Yu., Arslanov R. К., Magomedov А. В., Saypulaeva L. A. Spectroscopy of resonant levels of defects and phase transition in CdSnAs2 and In As at hydrostatic pressure up to 9 GPa. // Abstract Joint XV AIRAPT XXXI11 EHPRG International conference, Warsaw, Poland. -1995.-P. 69/MoP-K5.
4. Абдулагатов И. М., Эмиров С. Н., Арсланов Р.К., Моллаев А. 10. Исследование теплопроводности полупроводниковых соединений InAs и CdSnAs2 при давлении до 400 МПа и температурах 273-423 К. Н Тез. докл. Всероссийской науч. техн. конф. состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения. - Махачкала: 1995. - С. 32-33.
5. Даунов М. И., Моллаев А. Ю., Арсланов Р. К., Сайпулаева Л. А., Габибов С.Ф., Елизаров В.А. Квазилокальиые уровни дефектов и фазовые превращения в CdSnA$2 и п-InAs при гидростатическом давлении до 9 ГПа. И Изв. вузов. Физика. - 1996. - № 12.- С. 128; Деп. ВНИТИ № 2038 -В 96 от 20. 08. 1996 г, 16 с.
6. Арсланов Р. К., Габибов С.Ф., Даунов М. И.,. Моллаев А. К)., Сайпулаева. J1. А. Влияние высокого гидростатического давления до 9 ГПа на электронный спектр и фазовые превращения в n-InAs и CdSnAs2 // Сб. трудов Региональной науч. конф. «Физика межфазных явлений и
11
процессов взаимодействия потоков частиц с твердыми телами». - Нальчик: - 1998. - С 81-86.
7. Моллаев А. Ю., Арсланов Р. К., Сайпулаева Л. А., Габибов С.Ф. Фазовые переходы и кинетические явления п и p-InAs при гидростатическом давлении до 9 ГПа И Тез. докл. Межд. конф. «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах». - Махачкала: - 1998. - С. 148-149.
8. Моллаев А. Ю., Арсланов Р. К., Габибов С.Ф., Акчурин P. X. Об обнаружении отрицательного магнитосопротивления в p-JnAs // Тез. докл., посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (Естеств. науки). - Махачкала: - 1999. - С. 49.
9. Mollaev A. Yu., Arslanov R. К., Gabibov S. F., Akchurin R. Kh. The features of the behavior of some kinetic coefficients at hydrostatic pressure in p-InAs<Mn> //Abstract XXXVII EIIPRG Meeting of the European High Pressure Research Group, Monpellier, France. - 1999. - P. PI-05.
10. Моллаев А. Ю., Камилов И.К., Арсланов P.К., Габибов С.Ф. Особенности фазовых превращений и механизма формирования гетерофазных структур в p-InAs<Mn> при гидростатическом давлении до 9 ГПа И Тез. докл. Российской конференции «Фазовые превращения при высоких давлениях», Черноголовка, Россия. - 2000. - С. 13/12.
11. Mollaev A. Yu., Kamilov I. К., Arslanov R. К., Gabibov S. F. The behaviour of Hall effect and electroresistance in region of phase transition at high pressure, Evropean High Pressure Research Group Meeting 2000, Kloster Banz, Germany. - 2000. - P.71.
12. Моллаев А. Ю., Арсланов P. К., Сайпулаева Л. А., Габибов С.Ф. InAs и CciAs2 - перспективные датчики давления. ФТВД, - 2001. - Т.11, №1. -
С.94-97.
12
ГЛАВА 1
1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АРСЕНИДЕ ИНДИЯ.
(обзор литературных данных).
1.1. Кристаллическая структура полупроводниковых соединений А *В5.
Бипарные полупроводниковые соединения типа Ак которым относится 1пАь\ имеют в среднем по 4 валентных электрона на атом, образующие тетраэдрические фазы, т.е. каждый атом, окружен четырьмя ближайшими соседями, которые занимают четыре эквидистантных положения в вершинах правильного тетраэдра. Каждая связь между двумя ближайшими атомами образована двумя электронами с противоположными спинами.
Большинство полупроводниковых соединений А3 В' имеет кристаллическую решетку типа цинковой обманки (рис. 1.1), в которой каждый атом располагается в центре тетраэдра, образованного четырьмя ближайшими соседями. Соседями всегда оказываются атомы разных элементов. Тройные соединения также могут образовывать тетраэдрические фазы. Кристаллическую решетку цинковой обманки (рис. 1.1) можно описать, как две вставленные друг в друга гранецентрированные кубические решетки (рис. 1.2, 1.3) [1-6]. Они построены из атомов разных типов, параллельных друг другу и сдвинутых на вектор, где а - длина ребра куба гранецентрированной решетки. Кратчайшее расстояние между двумя ближайшими атомами составляет 0,433 А. На рис. 1.2, 1.3 показаны модели кристаллической решетки цинковой обманки вдоль осей /100] и [110], [1-8].
Под действием высоких давлений соединения А3В5 , имеющие решетку типа цинковой обманки, превращаются в металлы с решеткой типа (З-Бг7 или